低噪聲放大器設(shè)計指南
1、低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用
隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展,人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高,功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求,這就對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求,我們知道,系統(tǒng)接收靈敏度的計算公式如下:
Smin=-174+NF+10logBW+S/N (1)
由上式可見,在各種特定(帶寬、解調(diào)S/N已定)的無線通訊系統(tǒng)中,能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF,而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。 低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號,降低噪聲干擾,以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù),所以低噪聲放大器的設(shè)計對整個接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。
2、低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo):
2.1、噪聲系數(shù)NF
噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值,即:
對單級放大器而言,其噪聲系數(shù)的計算為:
其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù),是由放大器的管子本身決定的, Γopt、Rn 和Γs分別為獲得Fmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。
對多級放大器而言,其噪聲系數(shù)的計算為:
NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+ (4)
其中NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù),Gn為第n級放大器的增益。
在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng),由于噪聲系數(shù)很小,用噪聲系數(shù)表示很不方便,常常用噪聲溫度來表示,噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為:
Te=T0 ( NF–1) (5)
其中Te 為放大器的噪聲溫度,T0 =290°K,NF為放大器的噪聲系數(shù)。
NF(dB) = 10LgNF (6)
2.2、放大器增益G:
放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值:
G=Pout / Pin (7)
從式(4)中可見,提高低噪聲放大器的增益對降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利,但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機(jī)的動態(tài)范圍。 所以,一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。
2.3、輸入輸出的駐波比:
低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配情況,我們在設(shè)計低噪聲放大器的匹配電路時,輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計為接近最佳噪聲 匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò),而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)計,所以,低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些 情況下會使系統(tǒng)不穩(wěn)定,一般情況下,為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對系統(tǒng)的影響,可用插損很小的隔離器等其他措施來解決。
2.4、反射系數(shù):
由式3可知,當(dāng)Γs = Γopt 時,放大器的噪聲系數(shù)最小,NF=NFmin ,但此時從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?,輸入端是失配的,所以放大器的功率增益會降低,但有些時候?yàn)榱双@得最小噪聲,適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)計中經(jīng)常采用的一種辦法。
2.5、放大器的動態(tài)范圍(IIP3):
在低噪聲放大器的設(shè)計中,應(yīng)充分考慮整個接收機(jī)的動態(tài)范圍,以免在接收機(jī)后級造成嚴(yán)重的非線性失真,一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3較高一點(diǎn),至少比最大輸入信號高30dB,以免大信號輸入時產(chǎn)生非線性失真。
除以上各項外,低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要,設(shè)計時要認(rèn)真考慮。
3、低噪聲放大器的設(shè)計方法:
3.1、低噪聲放大管的選擇原則
對微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍,目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝,而砷化鎵小信號的場效應(yīng)管的工作頻率更高,噪聲系數(shù)可在1分貝以下。
我們在選取低噪聲放大器管通??梢詮囊韵聨讉€方面進(jìn)行考慮:
1) 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高,晶體管的fT一般要比工作頻率高4倍以上,現(xiàn)在PHEMT 場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0.5dB左右,工作頻率高端可達(dá)到6GHz。
2) 微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 當(dāng)輸入信號達(dá)到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲,對于ZXPCS大基站項目由于最大輸入信號小于-44dBm,考慮到放大器 13dB左右增益,我們選取了ATF34143 場效應(yīng)管它的增益可達(dá)15dB,OIP3為30dBm左右。
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